罗 泳，卢 昀，赵智超

（中核核电运行管理有限公司 运行四处，浙江 海盐 314300）

0 引言

核电厂反应堆换料水池、乏燃料水池冷却和处理系统（以下简称PTR 系统）是为燃料厂房的乏燃料水池和反应堆厂房的反应堆换料水池服务的。PTR 系统主要功能为保证乏燃料元件贮存池的持久冷却以及反应堆换料水池的注水、排水和净化[1]。本文主要研究的是涉及PTR 系统，保证储存在乏燃料水池（以下简称乏池）中的受辐照后的燃料组件的冷却功能。其冷却功能的实现由系统中设置的两台100%容量的乏燃料冷却水泵、两台100%容量的热交换器以及相应的管道阀门等完成的[2]。PTR 系统乏燃料水池冷却部分系统简图如图1 所示。

图1 PTR系统乏燃料水池冷却部分系统简图Fig.1 Schematic diagram of the cooling part of the spent fuel pool in the PTR system

乏燃料水池的水通过浸入水下的管道，打开阀门PTR001VB 进入泵PTR001PO 或PTR002PO 的吸入口，经热交换器PTR001RF 或PTR002RF 冷却，再经过PTR024VB、PTR010VB 返回水池。正常运行时，都是经泵PTR001PO，热交换器PTR001RF 这个系列，流量为360m3/h（其中，60m3/h 的流量通过除盐过滤回路）；另一系列的泵PTR002PO，热交换器PTR002 RF 作为备用。乏燃料水池的净化是利用跨接在冷却水泵（PTR001PO 或PTR002PO）进出口两端的净化回路进行的，净化回路由过滤器和除盐器组成。进口过滤器去除水中的颗粒状杂质（＞5μm），出口过滤器防止碎树脂进入系统，由除盐器去除离子状态的腐蚀杂质和裂变产物[2]。

乏燃料水池水温的运行控制标准是小于50℃。乏燃料水池水温保持在50℃以下，可使PTR 系统正常运行，防止乏燃料水池中的水过多地蒸发，以及增大水蒸发的余量，一旦乏燃料冷却功能不能得到保证，必须立即采取补救措施。另一方面，乏燃料水池全部失去冷却或温度超过50℃，将影响碘捕捉器的效率（碘捕捉器运行的极限温度为60℃）[2]。碘捕捉器用于在发生燃料装卸料事故时，防止放射性物质向厂房外释放。此外，用于乏燃料水池净化的树脂的温度上限为60℃，超过60℃必须切换净化回路以避免损坏除盐床中的树脂。

乏燃料水池中的温度受到PTR 系统运行状态的影响，同时也与乏燃料水池中贮存的乏燃料组件的多少有关。在两次换料期间，若乏燃料贮存池中已有15/4 个堆芯，而又要进行压力壳检查时，将整个堆芯元件存入乏燃料水池中，便出现了15/4 个堆芯+一个整堆芯的情况。在最不利情况下，需要排的衰变热为6692kW。在正常运行时，由一台泵和一台热交换器来进行冷却，以保持水池的最高温度为60℃[4]。

日本福岛核事故后，各国对乏池冷却的可靠性提出了更高的要求。秦山核电二厂单元3、4 号机组的运行技术规格书对此乏燃料水池的冷却以及乏燃料水池的温度有严格限定。技术规范规定在乏燃料水池水温超过50℃情况下，机组需要记录一个随机性的第一组I0，并且要求任何情况下乏池水温不应大于60℃[5]。

由于机组状态控制、定期试验的需要，乏燃料冷却泵（以下简称PTR 泵）时常要进行泵的倒换操作。泵的倒换操作参考电厂的经验，采用的是先停止运行泵后，启动备用泵的方式。这种切换方式已持续约10 年时间，10 年间按此种切换操作方式，乏燃料水池的水温较50℃的要求裕量较大。但随着乏燃料水池中存储的乏燃料随机组运行年限的增加而增加，乏燃料内的衰变热随之增加。特别是在大修期间，乏燃料水池中除存储有乏燃料以外，还卸入了一个完整堆芯，此时乏池中的衰变热相对较大。在这种情况下实施乏燃料泵的倒换，乏燃料水池水温切换期间温升也较大。如在某厂3 号机组OT308 的年度大修期间，在反应堆停堆后8 天时，以“先停运行泵后启动备用泵”的方式执行乏燃料水池冷却泵的切换操作。在正常切换操作持续的6min 内，乏池水温U3PTR032MT 短时上涨至48℃，如图2 所示。

图2 OT308期间乏池水温上升趋势图Fig.2 Trend of rising water temperature in the spent fuel pool during OT308

在随后的309 大修期间，在反应堆停堆后12.5 天实施PTR 泵的切换，切换操作持续约3min 内，乏燃料水池的温度U3PT032MT 从初始34.11℃上涨至38.202℃。通过两次倒换操作的对比发现缩短切换过程中的停泵时间可显著降低泵切换期间乏池温升。基于上述理由，如能对现有PTR泵切换操作方式进行优化，实现泵切换由“先停后启”到“先启后停”的操作优化，将有利于提高PTR 泵倒换操作的安全性，如图3 所示。

图3 OT309期间乏池水温上升趋势图Fig.3 Trend of rising water temperature in the spent fuel pool during OT309

1 操作优化可行性分析与验证

为实现PTR 泵切换方式由“先停后启”到“先启后停”的操作优化，对操作方式改变后可能引入的风险进行了分析与讨论。操作方式优化的风险主要有以下3 个方面：首先，两台PTR 泵并列运行导致的泵出口压力上升，由此对PTR 系统安全运行的影响；其次，在泵停运瞬间，因停运泵的出口逆止阀不回座导致的停运泵反转和入口超压问题；此外，PTR 泵并列运行期间系统流量上升对除盐床的影响也需要考虑。本文将从这3 个方面对PTR 倒换操作的可行性进行评估与验证。

1.1 两台PTR泵并列运行导致泵出口压力上升问题

为避免两台PTR 泵并列运行期间系统压力上升可能导致的超压问题，对PTR 系统各设备的设计压力进行了校核。通过检索确认PTR 冷却回路热交换器3PTR001RF 在PTR侧设计压力为1MPa，设备冷却水侧设计压力为1.2Mpa；系统的膨胀节设计压力为1.6MPa，系统中的阀门大部分设计压力为1.6MPa，部分为2MPa。从设计压力来看，热交换器是最薄弱的，只要确保热交换器处的压力能满足并列运行需要即可。另通过查询热交换器出厂记录，热交换器PTR 侧打压1.5MPa。根据PTR 泵的性能曲线，选择其出口压力最高的工况即泵零流量时出口压力为0.9Mpa，低于热交换器的设计压力和打压压力。因此，两台泵短时并列运行并不会对系统的安全运行带来影响。

1.2 停运泵的出口逆止阀不回座导致的停运泵反转和入口超压问题

PTR 泵倒换时两台泵并列运行后，停运一台PTR 泵。如停运泵的出口逆止阀不严密，将导致运行泵的出口压力直接引至泵入口，引起泵入口压力上升或者停运泵反转。为避免泵入口超压，泵入口管线段设置有安全阀，动作压力为0.2Mpa。系统日常运行入口压力为0.175Mpa 左右，与安全阀动作值接近。根据电厂以往的运行经验，曾发生过逆止阀关闭不严叠加入口憋压，导致泵入口超压安全阀动作的问题。为避免入口段超压，一方面要提高逆止阀回座的成功率，另一方面需要避免泵入口的憋压。要避免泵入口憋压，只需保证切换过程中始终将泵入口连接在乏池，利用乏池水的开式的特点维持入口压力稳定。为避免逆止阀不严导致的反转，在PTR 泵倒换过程中可保守考虑将待停运泵的出口阀关闭。通过上述两方面措施，可避免停运泵逆止阀不回座引发的泵反转或泵入口超压问题。

1.3 泵并列运行期间除盐床超流量问题

在两台PTR 泵出口并联有除盐床回路，其流量通过手动流量调节阀设定在60m3/h 左右。两台泵并列运行期间压力上涨，将导致通过除盐床的流量增加。通过除盐床的流速增加有可能导致除盐床的树脂被冲出，为防止除盐床树脂冲出，系统现有设计已有冗余设防。比如，除盐床内设置有滤斗防止树脂冲出；除盐床后设置有过滤器，保证捕捉被冲出的碎树脂，以避免进入乏燃料水池。鉴于树脂冲出后，要去除进入乏池的树脂比较困难。保守起见，在泵倒换前将除盐床隔离，泵倒换完成后，恢复除盐床回路运行。

1.4 泵先启后停倒换方式验证试验

为验证泵“先启后停”方式对乏池温度的影响以及实际验证操作可行性，编制了专门的验证方案，对PTR 泵倒换“先启后停”方式进行操作验证。验证时，乏池的除盐床不切除以观察泵出口压力增加对除盐流量的影响。初始停运PTR 泵启动后，出口阀开度保持在30%开度以及待停运泵的出口阀在泵停运前关闭，以防停运泵反转。验证期间记录的数据见表1。

表1 PTR泵“先启后停”验证运行期间参数记录表Table 1 Parameter record of PTR pump during "start stop" verification operation

PTR 泵“先启后停”倒换操作过程中，乏池冷却流量从初始300m3/h 上涨至并列运行期间的409m3/h；乏池温度切换过程中温度上涨幅度较小，只有约0.3℃，实现了优化操作的预期目标。

PTR 泵“先启后停”倒换操作过程中，PTR 泵入口压力保持在0.175MPa 左右，泵入口超压问题没有发生；PTR泵出口压力在两台泵并列运行期间最高，记录的压力值为0.88Mpa。此压力低于热交换器PTR001RF 的PTR 侧设计压力，所以PTR 泵“先启后停”方式下系统压力未超过系统要求值，符合预期目标。

PTR 泵“先启后停”倒换操作过程中，除盐床流量从初始60m3/h 最大增加到81.2m3/h，超过了系统手册推荐的除盐流量值。同时，因除盐流量增加引起除盐床压差的增加，除盐床压差值由初始的134Kpa 上涨到220Kpa。因此，为避免对除盐床运行造成影响，在正式的操作规程中，在PTR 泵倒换操作前先将除盐床回路隔离，倒换结束后恢复到初始流量。

PTR 泵两台泵并列运行期间对泵的振动情况进行了监测，图4、图5 是两台泵运行期间测振记录表明振动没有明显变化，振动值最高点为2.6mm/s，远低于国标4.5mm/s的要求。泵运行期间，维修部门、技术部门和运行部门共同对PTR 泵的运行情况进行了现场检查，检查情况表明，并列运行对泵的运行未产生不利影响。同时并列运行持续时间在10min 以内，时间较短，并列运行对泵的影响较小。

图4 PTR001PO运行期间振动参数Fig.4 Vibration parameters during PTR001PO operation

图5 PTR002PO运行期间振动参数Fig.5 Vibration parameters during PTR002PO operation

通过表1、图4、图5 的数据分析表明：①PTR 泵“先启后停”倒换方式能有效降低乏池切换期间的温升；②PTR泵“先启后停”倒换方式未对系统运行产生不利影响。

操作验证结束后，对运行操作票进行了升版，正式将PTR 泵的倒换方式从原“先停后启”方式改为“先启后停”方式。操作票升版后，实施的多次PTR 泵倒换操作均证明了操作改进的有效性，也未发现对系统的运行造成任何不利影响。特别是在电厂OT409 大修期间，在卸料后第6天，此时乏池内衰变热相对较大的情况下，按优化后的操作方式，PTR 泵倒换期间乏池温度从初始37.619℃上涨至38.149℃，仅上涨0.53℃。

2 结论

通过实施PTR 泵倒换方式由“先停后启”改为“先启后停”的优化改进方案，能有效降低PTR 泵在倒换期间乏池的温升幅度，提升了乏池冷却的可靠性，提升了运行操作的安全性。同时，多次优化后的多次切换操作结果表明，优化后的操作不会对系统自身的安全运行造成不利影响。综上所述，鉴于核电厂对乏池冷却方面的严苛要求，实施PTR 泵倒换方式优化是必要的、安全的，在采用类似设备配置的核电厂乏池冷却系统中具有推广应用价值。